JPH05332985A - 酸素センサのセンサエレメントとその製造方法 - Google Patents

酸素センサのセンサエレメントとその製造方法

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JPH05332985A
JPH05332985A JP4165449A JP16544992A JPH05332985A JP H05332985 A JPH05332985 A JP H05332985A JP 4165449 A JP4165449 A JP 4165449A JP 16544992 A JP16544992 A JP 16544992A JP H05332985 A JPH05332985 A JP H05332985A
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JP
Japan
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electrode
sensor element
layer
gas diffusion
sensor
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JP4165449A
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English (en)
Inventor
Takafumi Kajima
孝文 鹿嶋
Katsuaki Nakamura
克明 中村
Atsunari Ishibashi
功成 石橋
Yoshinori Kato
嘉則 加藤
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Fujikura Ltd
Original Assignee
Fujikura Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 再現性の高い多孔性ガス拡散層を備え、安定
した限界電流特性を有すると共に、量産性にも適したプ
レーナ型のセンサエレメントと、その製造方法を提供す
ること。 【構成】 絶縁性基板10の片面に少なくとも一対以上
の電極2a,2bを形成し、次いで、ジルコニア化合物
イオン伝導体1を上記電極2a,2b及び電極形成側の
絶縁性基板10上に形成した後、カソード側電極2a部
分を覆うようにしてZr‐Y層12を形成し、次いで、
陽極酸化法により、カソード側電極2a部分のZr‐Y
層12をポーラスなZrO2 ‐8Y2 3 層に変化さ
せ、カソード側電極2a上に多孔性ガス拡散層13を形
成したこと。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、各種雰囲気中の酸素濃
度の測定に利用される酸素センサのセンサエレメント
と、その製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】酸素センサのセンサエレメントの基本構
成は、図3に示すように、ジルコニア化合物イオン伝導
体1(例えば、安定化ジルコニアよりなる。以下、イオ
ン伝導体という)の表裏対向面に電極2a,2bを形成
し(例えば、白金ペーストを円盤状にスクリーン印刷し
て焼成する)、イオン伝導体1の電極2a側に、ガス拡
散孔3と加熱用ヒータ4を形成した(例えば、抵抗体ペ
ーストをC字状にスクリーン印刷して焼成する)キャッ
プ5(例えば、セラミック材、フォルステライト材等よ
りなる)がガス拡散室6を介在して環状の封止材7によ
り封着されている。
【0003】そして、電極2a,2b間及び加熱用ヒー
タ4に電圧を印加することにより(電極2aをカソード
側、電極2bをアノード側とする)、所定の加熱温度
(約350℃)において、ガス拡散孔3−ガス拡散室6
−電極2a−イオン伝導体1−電極2bの酸素ガスの移
行(矢印にて示す)に伴う酸素ポンピング作用による酸
素イオンをキャリアとする電流が電極2a,2b間に流
れる。この電流は電圧−電流特性における電圧のある領
域でフラットになり(限界電流という)、この限界電流
と酸素濃度とが1対1の関係にあることから、一定電圧
を印加して、そのときの限界電流値より酸素濃度を検出
することができるものである。
【0004】図4は、他の例を示すもので、イオン伝導
体1にガス拡散孔3を設け、電極2a,2bを環状に形
成したものである。
【0005】図5は、電極2a側のイオン伝導体1に塗
布したカーボン等の高沸点材の表面に、セラミック粉等
をブレンドした結晶化ガラスを塗布して焼成し、高沸点
材のガス化によってガス拡散室6を形成したものであ
る。
【0006】図6は、電極2a上及びイオン伝導体1上
に直接前記図5と同一の方法を施すことにより、ガス拡
散室6とガスを透過する多孔性ガス拡散層8を同時に形
成し、キャップを省略した薄型のものである。
【0007】また、前記の電極2a,2bをイオン伝導
体1の表裏対向面に形成したものに代えて、図7及び図
8に示すように、電極2a,2bをイオン伝導体1の片
面上に形成したプレーナ型のものも提案されている。即
ち、図7(A)(B)に示すように、イオン伝導体1の
片面に形成した電極2a,2bの少なくとも電極2a
(カソード側となる)上に、結晶化ガラス等の絶縁性セ
ラミックスに、ジルコニア、ステアタイト、アルミナ、
フォルステライト等を配合してなる多孔質材をスクリー
ン印刷して焼成し、多孔性ガス拡散層9を形成したもの
であり(図7(A)は電極2aに、図7(B)は電極2
a,2bの双方にそれぞれガス拡散層9を形成)、酸素
ガスは矢印のように移行する。
【0008】図8(A)(B)は、表面にSiO2 を有
するシリコン基板(SiO2 /Si基板)10に形成し
た電極2a,2bの少なくとも電極2a(カソード側と
なる)上にスパッタリングによって多孔性ガス拡散層1
1を形成したものであり(図8(A)は電極2aに、図
8(B)は電極2a,2bの双方にそれぞれガス拡散層
11を形成)、酸素ガスは矢印のように移行する。な
お、上記多孔性ガス拡散層11は、前記図7の多孔性ガ
ス拡散層9と同一の多孔質材をスクリーン印刷して焼成
したものである。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】前記の図3〜図6に示
す従来のセンサエレメントは、イオン伝導体1の表裏対
向面に電極2a,2bを形成したもので、加工プロセス
が複雑であり、量産性に不向きである。また、表裏対向
面に電極を形成した場合、その酸素ガスのポンピング作
用に伴う酸素イオンをキャリアとする電流特性は、イオ
ン伝導体1の厚さの影響が大きく、よってイオン伝導体
1の厚さの精密なコントロールが要求される。
【0010】また、前記の図7〜図8に示す従来のセン
サエレメントは、多孔性ガス拡散層9,11の多孔性に
バラツキが多く、ある一定範囲内のガス拡散レベルを維
持することが困難で、再現性に欠け、安定した限界電流
特性が得られないという不都合な点がみられた。
【0011】本発明は、かかる事情に鑑みなされたもの
で、プレーナ型のセンサエレメントにおいて、再現性の
高い多孔性ガス拡散層を備え、安定した限界電流特性を
有すると共に、量産にも適した酸素センサのセンサエレ
メントと、その製造方法を提供することを目的とする。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記の目的を
達成するために、酸素センサのセンサエレメントは、絶
縁性基板の片面に形成された少なくとも一対以上複数対
の電極と、該電極及び電極形成側の絶縁性基板上に形成
されたジルコニア化合物イオン伝導体と、前記電極の一
方のカソード側となる電極上面に形成された多孔性の酸
化ジルコニア、又は酸化ジルコニア化合物よりなるガス
拡散層と、からなることを特徴とする。
【0013】また、このセンサエレメントの製造方法
は、絶縁性基板の片面に少なくとも一対以上複数対の電
極を形成し、次いで、ジルコニア化合物イオン伝導体を
上記電極及び電極形成側の絶縁性基板上に形成した後、
カソード側電極部分を覆うようにしてZr‐Y層を形成
し、次いで、陽極酸化法により、カソード側電極部分の
Zr‐Y層をポーラスなZrO2 ‐8Y2 3 層に変化
させ、カソード側電極上に多孔性ガス拡散層を形成した
ことを特徴とする。
【0014】そして、前記の多孔性ガス拡散層の形成
は、センサエレメントのカソード側電極を「プラス」、
センサエレメント以外のものを対向電極の「マイナス」
として、あるいはセンサエレメントのカソード側電極を
「プラス」、対向電極としてセンサエレメントのアノー
ド側電極を「マイナス」として、陽極酸化を行なうもの
である。
【0015】
【作用】カソード側電極部分を覆うZr‐Y層を陽極酸
化することにより、カソード電極に接していたZr‐Y
層を中心にポーラスなZrO2 ‐8Y2 3 層に変化
し、結果的にジルコニア化合物イオン伝導体と良好な接
合体をもった多孔性ガス拡散層が得られる。
【0016】
【実施例】本発明に係る酸素センサのセンサエレメント
の製造方法について図面を参照して説明する。なお、従
来例と同一部品には同一符号を付し、加熱用ヒータにつ
いては説明を省略する。
【0017】図1(A)に示すように、Si板(例え
ば、0.2mm厚)の表面にSiO2 膜(例えば、100
0オングストロング厚)を形成した絶縁性基板10(例
えば、5mm角×0.2mm厚)上に、少なくとも一対以上
複数対の電極2a,2b(例えば、白金ペーストをスク
リーン印刷して焼成、100μm幅で100μm間隔、
4000オングストロング厚)を形成する(実施例では
2対のものを示す)。
【0018】次いで、電極2a,2b及び絶縁性基板1
0の表面にジルコニア化合物イオン伝導体1をスパッタ
リングにより焼成する(例えば、ZrO2 ‐8Y2 3
又はZrO2 ‐3Y2 3 、3000オングストロング
厚)。
【0019】次に、図1(B)に示すように、カソード
側電極となる電極2aの部分を覆うようにスパッタリン
グによりZr‐Y層12を形成する(例えば、200μ
m幅、4000オングストロング厚)。
【0020】次に、前記のセンサエレメントを電解槽
(例えば、H3 PO4 溶液を収容)中に入れ、陽極酸化
を行う。この際、センサエレメントのカソード側電極2
aを「プラス」、対向電極としてセンサエレメント以外
の例えばステンレス鋼、白金、銅等の金属板を「マイナ
ス」として陽極酸化を行う手法と、センサエレメントの
カソード側電極2aを「プラス」、対向電極としてセン
サエレメントのアノード側電極2bを「マイナス」とし
て陽極酸化を行う手法が採用される。
【0021】陽極酸化により、図1(C)に示すよう
に、カソード側電極2a部分の両側を中心に、Zr‐Y
層12がポーラスなZrO2 ‐8Y2 3 層に変化し、
多孔性ガス拡散層13が焼成される。この多孔性ガス拡
散層13は、Zr‐Y層からポーラスなZrO2 ‐8Y
2 3 層に変化したので、ジルコニア化合物イオン伝導
体1との接合性も良好となる。
【0022】而して、本発明の前記製造方法は、図2に
示すように、SiO2 /Siの絶縁性基板10に複数対
の電極2a,2bをクシ型に形成したものにも適用する
ことができ、製造後、所要の電極数に応じてカットすれ
ばよく、生産性が向上する。
【0023】前記の製造方法によって得たセンサエレメ
ントの50個を抽出して、同一条件で限界電流特性を試
験したところ、80〜88μAの狭い範囲に収まり、再
現性の高いことが確認された。
【0024】
【発明の効果】本発明は次の効果を有する。 (a) カソード電極上にZr‐Y層を形成した後、陽極
酸化をするので、ポーラスなZrO2 ‐8Y2 3 層の
多孔性ガス拡散層を容易に形成することができる。 (b) 陽極酸化法の電流・電圧を固定条件にすることに
より、再現性の高い多孔性ガス拡散層が得られ、安定し
た限界電流特性を有する信頼性の高い酸素センサが得ら
れる。 (c) Zr‐Y層のポーラスなZrO2 ‐8Y2 3
への変化が連続的であるので、ジルコニア化合物イオン
伝導体との接合性も良好で、耐久性の優れた酸素センサ
が得られる。 (d) 製造が簡単で、量産性に適する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の製造方法の一実施例を示す説明図であ
る。
【図2】本発明の製造方法を実施しうる他の電極配置図
である。
【図3】従来の酸素センサのセンサエレメントの縦断面
図である。
【図4】従来の他の酸素センサのセンサエレメントの縦
断面図である。
【図5】従来の他の酸素センサのセンサエレメントの縦
断面図である。
【図6】従来の他の酸素センサのセンサエレメントの縦
断面図である。
【図7】従来のプレーナ型の酸素センサのセンサエレメ
ントの縦断面図である。
【図8】従来の他のプレーナ型の酸素センサのセンサエ
レメントの縦断面図である。
【符号の説明】
1 ジルコニア化合物イオン伝導体 2a カソード電極 2b アノード電極 10 絶縁性基板 12 Zr‐Y層 13 多孔性ガス拡散層(ZrO2 ‐8Y2 3 層)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 嘉則 東京都江東区木場一丁目5番1号 藤倉電 線株式会社内

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 絶縁性基板の片面に形成された少なくと
    も一対以上複数対の電極と、該電極及び電極形成側の絶
    縁性基板上に形成されたジルコニア化合物イオン伝導体
    と、前記電極の一方のカソード側となる電極上面に形成
    された多孔性の酸化ジルコニア、又は酸化ジルコニア化
    合物よりなるガス拡散層と、からなることを特徴とする
    酸素センサのセンサエメレント。
  2. 【請求項2】 絶縁性基板の片面に少なくとも一対以上
    複数対の電極を形成し、次いで、ジルコニア化合物イオ
    ン伝導体を上記電極及び電極形成側の絶縁性基板上に形
    成した後、カソード側電極部分を覆うようにしてZr‐
    Y層を形成し、次いで、陽極酸化法により、カソード側
    電極部分のZr‐Y層をポーラスなZrO2 ‐8Y2
    3 層に変化させ、カソード側電極上に多孔性ガス拡散層
    を形成したことを特徴とする酸素センサのセンサエレメ
    ントの製造方法。
  3. 【請求項3】 センサエレメントのカソード側電極を
    「プラス」、センサエレメント以外のものを対向電極の
    「マイナス」として、陽極酸化を行ない、多孔性ガス拡
    散層を形成した請求項2記載の酸素センサのセンサエレ
    メントの製造方法。
  4. 【請求項4】 センサエレメントのカソード側電極を
    「プラス」、対向電極としてセンサエレメントのアノー
    ド側電極を「マイナス」として、陽極酸化を行い、多孔
    性ガス拡散層を形成した請求項2記載の酸素センサのセ
    ンサエレメントの製造方法。
JP4165449A 1992-06-02 1992-06-02 酸素センサのセンサエレメントとその製造方法 Pending JPH05332985A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7361258B2 (en) 1998-05-18 2008-04-22 Ngk Spark Plug Co., Ltd. Sensor element and gas sensor
WO2015056674A1 (ja) * 2013-10-15 2015-04-23 日本電気硝子株式会社 無機多孔質膜及び無機多孔質膜の製造方法

Cited By (5)

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WO2015056673A1 (ja) * 2013-10-15 2015-04-23 日本電気硝子株式会社 排気ガスセンサー及び排気ガスセンサーの製造方法
JPWO2015056673A1 (ja) * 2013-10-15 2017-03-09 日本電気硝子株式会社 排気ガスセンサー及び排気ガスセンサーの製造方法
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